曲轴轮毂作为汽车发动机曲轴减振器的重要组成，对产品精度及综合性能提出了很高的要求。本文根据所研究曲轴轮毂的特点，提出一种利用圆形板坯成形复杂轮毂的旋压增厚-变薄旋压复合成形工艺，采用两道次旋压增厚及一道次变薄旋压成形了曲轴轮毂轮缘部分的蝶形结构，确定了各道次旋轮及旋压成形的主要工艺参数。利用有限元软件Simufact对所设计工艺方案进行了数值模拟，并结合模拟结果，制备出合格的样件。

曲轴轮毂的传统加工方法是采用铸、锻毛坯经切削加工而成，传统加工方法生产效率低、产品表面质量差。近年来，轮毂成形采用新的工艺方法，以板材为坯料利用旋压工艺成形，相比于传统的生产工艺，大大提高了产品精度，旋压后的轮毂金相组织致密、机械性能良好、强度高，而且重量轻、表面光洁，因此旋压成形曲轴轮毂逐渐代替了传统生产工艺加工的曲轴轮毂。

多楔轮旋压成形工艺分析

图1为某汽车发动机曲轴减振器用曲轴轮毂零件图。轮毂的轮缘部分呈蝶形结构，轮缘高度为30mm，轮缘壁厚2.5mm，轮缘中间带有半径为9mm的圆弧形凹槽，零件外径113.5mm。

旋压工艺方案确定

所研究曲轴轮毂截面呈蝶形，轮缘内侧为直壁，可知旋压过程需采用圆柱形芯模，轮毂轮缘外形只能由终旋轮的形状来确定，确定旋压工艺方案为先采用旋压增厚工艺进行制坯，再采用变薄旋压完成轮毂旋压的最终成形。

旋压增厚过程中，定义增厚率λ=tn/tn-1，现有文献中的板坯旋压增厚工艺要求每一道次工序的增厚率λ应不大于1.4，否则增厚过程不稳定，容易导致折叠缺陷。由于增厚率的限制，一般旋压增厚过程所需旋压道次相对较多。

针对该曲轴轮毂特点，设计两道次旋压进行增厚制坯，第三道次进行减薄旋压成形出最终零件。由于板坯厚度相对较小，为了防止旋压过程中板坯产生失稳，第一道次的旋轮设计为带有圆弧形凹槽的旋轮，使得在旋压时，板坯与旋轮之间由线接触逐渐过渡为面接触，这样可以保证增厚过程的稳定性，从而实现较大的增厚率；第二道次旋压采用平旋轮继续进行增厚，旋压过程中，采用平旋轮可有效增加坯料与旋轮的接触，且由于轴向没有约束，有利于提高增厚率；第三道次为变薄旋压终成形过程，轮毂外缘形状由旋轮形状来获得，旋轮带有横向外凸筋。通过三道次的旋压，完成曲轴轮毂的旋压增厚与成形。

各道次旋压主要参数确定

本文所研究曲轴轮毂的轮缘部分高度为30mm，最后一道次为变薄成形旋压，要求采用同时成形出轮缘外形的旋轮，旋轮中间部分存在横向外凸筋，凸筋半径R2为9mm，为了提高旋压效率并保证零件达到较高的尺寸精度，取终旋压的减薄率为50%，计算出完成两道次增厚后坯料的外径d2=118.5mm，根据体积不变原则，计算出增厚部分的厚度t2=20mm；第二道次增厚旋压采用平旋轮，根据前面的计算结果，平旋轮旋压面宽度h取为20mm。取第二道次旋压增厚率λ2为1.5，则经第一道次增厚之后的厚度t1=20mm/1.5=13mm；第一道次是增厚的关键，相关工艺参数计算如下：增厚过程由第一、二道次的旋压成形来实现，对于整个增厚过程，此时利用公式（1）求旋压次数N为：

 

其中K=1.015～1.02，t0为圆形板坯初始厚度，tN为圆形板坯边缘最终厚度；rN为最终轮缘外径；ri为所增厚的轮缘的内径；r0为圆形板坯初始直径。

根据体积不变原则算出r0约为140mm，取K=1.02，进而由式（1）求出N=4，即需要四道次来完成增厚过程，平均每道次增厚率为1.4。

本文利用带有圆弧形凹槽旋轮及平旋轮，预将原本四道次旋压增厚过程简化为两道次。要求采用圆弧形凹槽旋轮增厚至13mm，由于所以所设计的第一道次采用圆弧形凹槽旋轮的旋压对应于公式（1）所计算增厚过程的前三道次旋压的总和；平旋轮旋压增厚则对应于公式（1）所计算的第四道次旋压增厚。N值确定之后，由式（2）确定K的具体值：

 

计算得K=1.016，然后按公式（3）计算rn：

求出r3=128mm，r3即为所设计的第一道次旋压增厚后板坯的外径d1，再结合前面计算的t1=13mm，设计一道次旋轮的圆弧形凹槽半径R1为13mm，凹槽深度为5mm。

根据以上结果，最终确定出如图2所示的旋压成形工艺。

各道次旋压过程

将经过冲锻后的板坯固定于上下芯模之间，上下芯模带动板坯主动旋转，转速为350rpm，各道次旋轮依次沿径向进给完成旋压，具体过程如下：

⑴第一道次旋压采用带有圆弧形凹槽的预旋轮进行增厚旋压，使得经过一道次旋压，完成板坯坯料边缘的预增厚。预旋轮进给速度为1mm/s，第一次预成形后零件外径128mm；

⑵第二道次旋压采用平旋轮进行旋压，将通过第一道次增厚的外缘部分沿径向旋平，继续增厚外缘。平旋轮进给速度为0.5mm/s，第二次成形后零件外径为118.5mm；

⑶第三道次为终旋工步，采用与曲轴轮毂轮缘形状一致的终旋轮3，旋压形成最终零件。终旋轮进给速度为0.45mm/s，第三次成形后，零件外径达到113.5mm。

有限元模型建立

基于有限元软件simufact.forming建立曲轴轮毂的各道次旋压模型，如图3所示。模具默认为刚性体，板坯材料选用材料库中AISI1008钢，定义上下芯模的主轴转速为350rpm，第一道次旋轮的径向进给速度为1mm/s，旋轮径向进给6mm；第二道次旋轮的径向进给速度为0.5mm/s，径向进给4.75mm；第三道次旋轮的径向进给速度为0.45mm/s，径向进给2.5mm。

旋压成形模拟结果

三道次旋压成形过程

各道次旋压的模拟结果如表1所示，可以看到，第一道次旋压过程中，最初为板坯外缘的上下两侧与旋轮的圆弧凹槽接触。根据最小阻力定律，板坯外缘周边的金属在旋压过程中，逐渐将旋轮圆弧凹槽中间部分充满并沿圆弧面均匀的向两侧流动，板坯与旋轮之间由最初的线接触均匀地过渡为面接触，实现板坯外缘平稳增厚。旋压后的板坯外缘处呈现与旋轮的形状尺寸一致的圆弧凹槽，成形后板坯外缘增厚部分的高度约为13mm，这与设计的工艺路线基本吻合，未与旋轮接触的外缘区域厚度变化较小。还可以看到，在第一道次旋压过程，等效应变呈层状分布，但整体分布均匀，其中与旋轮接触的部分等效应变最大，离旋轮越远处等效应变值越小。

由于第一道次旋压成形后板坯外缘呈旋轮圆弧状，且距离上下芯模较远，因此，终旋之前增设第二道次旋压十分必要，否则会造成旋压过程的不稳定，出现失稳或金属流动不均匀的情况。由表1可知，在第二道次的平旋轮径向进给过程中，板坯外缘处金属同时沿径向和轴向流动，径向厚度减小，轴向高度增加，形成具有一定高度的外直壁，经过第二道次旋压后，轮缘增厚约达到19.5mm，与设计工艺路线计算所得20mm也基本吻合。板坯在经过二道次旋压成形之后，等效应变较大值主要分布于外缘的变形区域，与旋轮接触部分应变值达到了最大值。

第三道次为最终的旋压成形过程，采用与零件形状一致的旋轮，通过减薄旋压成形出轮缘的蝶形结构。如表1所示，在终旋轮径向进给的过程中，旋轮凸筋部分与板坯先接触，凸筋部分完全接触之后，板坯外直壁内侧逐渐与上下芯模的外表面贴合，金属沿芯模和旋轮之间的型腔向两侧轴向流动，板坯的外直壁部分发生径向减薄并轴向增高，直至与上下芯模完全贴合，成形最终零件。终旋过程中，等效应变主要分布在轮缘部分，当旋轮与坯料完全接触后，轮缘各部分等效应变分布均匀。

各道次旋压成形载荷

图4为各道次旋轮沿Y方向成形载荷分布，由图中可以看出：第一道次旋压和第二道次旋压旋轮沿Y方向载荷变化相似，均随旋轮的进给量增大而缓慢增长，这是由于在这两个道次旋压过程中，只有少量金属与旋轮接触发生变形，所以成形载荷缓慢增长，第一道次、第二道次旋压的成形载荷均小于30kN。在第三道次旋压的初期，少量金属与旋轮凸起接触，载荷缓慢增长；当板坯与旋轮的凸起部分完全接触后，金属变形量增加，旋轮载荷急剧增大，最大成形载荷为240kN。

工艺方案验证

结合模拟结果，在CDC-4S80多工位旋压机上进行物理试验，其中上、下芯模及各道次旋轮如图5所示。三道次旋轮依次径向进给，最终成形出曲轴轮毂件。

图6所示为经过三道次旋压最终成形的曲轴轮毂，从图中可以看出零件整体成形质量良好，无明显毛刺、折叠、飞边等缺陷，轮缘壁厚达到了图纸尺寸要求。

结论

⑴针对所研究曲轴轮毂轮缘部分呈蝶形的结构特点，通过两道次旋压增厚使得圆形板坯外缘材料变形呈上下对称分布，最后通过一道次变薄旋压使金属发生大量的轴向变形成形轮缘的蝶形结构；

⑵采用有限元软件模拟该曲轴轮毂多道次旋压成形过程，分析成形过程中金属的变形情况及流动特点，可以得出，随着旋压成形道次的增加，板坯金属的变形区域和等效应力分布发生相应的增大，同时旋轮沿Y方向的成形载荷也发生明显增加；

⑶通过有限元模拟与试验相结合的方法，试制出了满足要求的零件。